2. Схемотехническая часть.

2.1. Измерения радиальной скорости.

Для измерения радиальной скорости объектов существуют следующие методы:

• Центробежный метод, основанный на зависимости центробежных сил от угловой скорости вращения инерционной массы;

Центробежный метод характерен тем, что чувствительный элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами вращающегося вала. Этот метод реализуется в коническом и кольцевом тахометрах.

В

Рисунок 1 Механические тахометры

коническом тахометре (рис. 1, а) на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузики т, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Изменение положения муфты 1 регистрируется показывающим элементом тахометра — стрелкой. В кольцевом тахометре (рис. 1, б) при невращающейся оси 2 (ω = 0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на определенный угол. При вращении кольцо стремится занять положение, перпендикулярное оси вращения, и вызывает перемещение муфты 1 и стрелки отсчетного устройства.

Центробежные тахометры нередко применяются в качестве преобразователей в регуляторах частоты вращения. Недостатком этих средств измерения является отсутствие дистанционности, значительные погрешности и технологические трудности в изготовлении и регулировании.

Достоинствами центробежного тахометрического узла являются простота конструкции, сравнительно высокая точность измерения, и независимость показаний от направления вращения. К недостаткам следует отнести нелинейность статической характеристики, особенно заметную в начале шкалы; сравнительно малый диапазон измерения скорости вращения, который характеризуется величиной отношения от 4 до 6, малую дистанционность измерения; ограниченную предельно допустимой длиной гибкого валика (2,5м).

Для расширения диапазона измерения центробежных тахометров применяют в одних случаях пружины переменной жесткости, а в других – специальные механические редукторы с ручным переключением скоростей вращения вала тахометра при переходе с одного предела на другой. Так, например, переносные (ручные) тахометры часто выполняются многопредельными, т.е. снабжаются коробкой скоростей, позволяющей менять диапазон измеряемых скоростей. Ручной тахометр ИО-10 имеет следующие диапазоны измерения скоростей: 25-100; 75-500; 250-1000; 750-5000; 2500-10000 об/мин. Тахометр имеет циферблат с двумя концентричными шкалами, соответствующими двум группам диапазонов скоростей.

• Часовой метод, основанный на зависимости угла поворота вала за фиксированный промеж уток времени от угловой скорости его вращения;

Принцип действия часового тахометра состоит в том, что угловая скорость измеряется по числу оборотов испытуемого вала за определенный промежуток времени. Таким образом, с помощью часового тахометра определяется не мгновенное значение угловой скорости , а ее среднее значение за известный промежуток времени .

( 1 )

или

( 2 )

где - число оборотов испытуемого вала за промежуток времени ;

Выражая угловую скорость числом оборотов в минуту, получаем зависимость ( 3 ) в виде:

( 3 )

Часовые тахометры часто называют тахометрами средней скорости, а также тахоскопами. Для определения промежутка времени в часовом тахометре имеется часовой механизм, отчего эта группа тахометров и получила свое название. По степени автоматизации процесса измерения часовые тахометры могут быть неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. Механизм ручного неавтоматического часового тахометра (тахоскопа) состоят из счетчика оборотов, секундомера с ценой оборота стрелки 60с, пускового устройства и устройства для установки счетчика оборотов и секундомера на нулевое показание. Приводной валик тахоскопа соединяется с испытуемым валом, после чего оператор нажатием на пусковую кнопку одновременно включает счетчик оборотов и секундомер. Наблюдая показания секундомера оператор через 60с выключает счетчик, показания которого дают среднюю за 60с скорость испытуемого вала в об/мин.

П

Рисунок 2 Полуавтоматический часовой тахометр

олуавтоматический часовой тахометр отличается тем, что выключение счетчика оборотов происходит автоматически через определенный промежуток времени после пуска. Пуск и установка счетчика в нулевое положение производится оператором вручную. Шкала счетчика градуируется в об/мин.

Схема полуавтоматического часового тахометра типа 9ЧП приведена на рис.2.

Пуск механизма производится нажатием на кнопку пускового рычага 1. При нажатии заводится пружина 14 часового механизма. Одновременно пусковой рычаг поворачивает сердечко (кулачок) 11 сидящее фрикционно на центральной оси 10, возвращая стрелку 12 на нулевую отметку циферблата 13. После опускания кнопки стрелка и центральная ось остаются застопоренными собачкой 6, сцепленной с колесом 9, неподвижно сидящим на центральной оси. Приводной валик 7 был присоединен к испытуемому валу перед пуском тахометра: он может вращаться благодаря проскальзыванию во фрикционной муфте 8. Заведенная пружина 14 приводит в действие часовой механизм, спусковое колесо 2 начинает вращаться, палец 5 спускового колеса нажимает на собачку 6, освобождая колесо 9 и ось 10. Стрелка начинает вращаться. По истечении определенного времени (обычно 3 или 6с.) палец 5 освобождает собачку 6, которая стопорит колесо 9 и ось 10. Стрелка останавливается и по шкале можно произвести отсчет измеренной угловой скорости. После измерения прибор отключают от испытуемого вала. Характеристика этого тахометра имеет вид:

(4)

Или

(5)

где, - угол поворота стрелки счетчика в рад;

- передаточное отношение передачи между осью стрелки и приводным валиком тахометра;

- время работы счетчика в с.

Относительная приведенная погрешность тахометров этого типа не должна превышать ±1% при установке прибора в нормальном положении (шкала горизонтальна, приводной вал и проверяемый соосны) и при температуре в пределах 20±5 °С.

Непрерывное измерение угловой скорости осуществляется автоматическими часовыми тахометрами. В этих приборах включение и выключение счетчика осуществляется периодически часовым механизмом, приводимым в действие от приводного валика тахометра через фрикцион. Указатель счетчика после каждого измерения не устанавливается на нулевую отметку шкалы, а показывает результат последнего измерения до завершения следующего измерения.

Недостатками часовых тахометров считается неизбежность воздействия на движущуюся деталь, и если на крупной детали с высокой скоростью вращения это воздействие минимально, то на небольшой вал часовой тахометр может оказать сильное воздействие, что приведет к высокой погрешности

• Фрикционный метод, основанный на самовыравнивании (за счет трения скольжения) окружной скорости вращения фрикционного ролика с окружной скоростью конуса, вращающегося с постоянной угловой скоростью;

Простейшая схема фрикционного тахометра представлена на рис.3.

Рисунок 3 Фрикционный тахометр

Через зубчатую передачу 1-2 электродвигатель вращает диск 3 с постоянной угловой скоростью. Диск приводит во вращение ролик 4 за счет трения между ними. Угловая скорость ролика будет пропорциональна угловой скорости диска и расстоянию от ролика до оси вращения диска и обратно пропорциональна радиусу ролика.

Если скорость винта 5 и ролика 4 неодинаковы, ролик будет перемещаться вдоль винта. Направление перемещения таково, что скорость ролика будет приближаться к скорости винта. При установившейся скорости винта ролик займет такое положение, при котором его скорость будет равна скорости винта. При этом получается:

или: (6)

(7)

где - расстояние ролика от оси вращения диска;

- радиус ролика.

Так как - величина постоянная для данного тахометра, то следовательно расстояние ролика до оси вращения диска пропорционально измеряемой угловой скорости.

Следовательно, соединенный с роликом указатель будет показывать по шкале величину измеряемой угловой скорости.

Ч

Рисунок 4 Магнитоиндуктивный тахометр

увствительным элементом вибрационного тахометра является ряд упругих стальных полос, закрепленных одним концом, каждая из которых настроена на определенную собственную частоту колебаний. Настройка достигается за счет изменения толщины или длины пластин, а также за счет изменения величины масс на свободных концах полосок. Для измерения скорости вала какой-либо машины или станка тахометр крепится к станине или кожуху машины. При вращении вала возникает вибрация частей машины; эта вибрация передается основанию тахометра; при этом возбуждаются резонансные колебания одной-двух полосок, собственные частоты которых близки к частоте вибраций машины.

Недостатками данного метода можно считать необходимость контакта тахометра с вращающейся деталью. Так же задействованные стальные полосы подвержены эффекту «усталости металла» что может привести к погрешности измерений.

• Магнитоиндукционный метод, основанный на увлечении проводящего тела (цилиндра, диска и др.) полем вращающегося постоянного магнита благодаря взаимодействию наводимых в проводящем теле индукционных токов с магнитным полем постоянного магнита;

Принцип действия измерительного механизма магнитоиндукционного тахометра (рис.4) основан на силовом взаимодействии поля постоянного магнита и токов, возникающих в металлическом теле при его движении в магнитном поле.

Постоянный магнит 4 соединен с осью тахометра 5. При движении магнита его магнитное поле непрерывно пересекает цилиндрический колпачок 3 из алюминия. Возникающие в толще алюминия вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем и увлекают колпачок в сторону вращения магнита. С осью колпачка связана стрелка указателя 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 2. Сила взаимодействия вихревых токов, индуктируемых во вращающемся колпачке, и магнитного поля зависит от скорости вращения. Поэтому угол отклонения стрелки пропорционален скорости вращения выходного вала и шкала магнитного тахометра равномерная.

Магнитоиндукционные тахометры очень просты и надежны в эксплуатации. Они нашли широкое применение на самолетах, в автомобильных спидометрах и во многих других приборах. Приводной валик автомобильного спидометра соединяется с одним из валов коробки передач автомобиля посредством гибкого валика. Механизм самолетного тахометра обычно соединяется с контролируемым валом при помощи электрической синхронной передачи.

Недостатком магнитоиндуктивного метода можно считать зависимость ЭДС от скорости вращения вала. Так, если скорость вращения мала — ЭДС будет недостаточной для измерений, а если слишком велика — избыточна, что тоже может привести к погрешности. Из-за перепадов скоростей возникает необходимость использования большого диапазона частот, что приводит к усложнению устройства.

• Импульсный метод, основанный на определении частоты электрических импульсов, формируемых с помощью контактного или бесконтактного (фотоэлектрического, индуктивного, емкостного и др.) прерывателя или коммутатора, связанного с валом, скорость вращения которого контролируется;

За последние годы начали развиваться электрические приборы, у которых измерение угловой скорости сводится к измерению частоты импульсов электрического тока, генерируемого вращающимся валом. Современная электроизмерительная техника позволяет производить такие измерения с более высокой точностью, чем непосредственное измерение угловой скорости. Благодаря строгому постоянству соотношения между числом оборотов вала и частотой импульсов точность измерения угловой скорости при помощи этих приборов удается доводить до 0,01%. Приборы этого типа показывают мгновенное значение угловой скорости и могут быть названы электрическими импульсными тахометрами. Показания их выражают среднюю угловую скорость за короткий промежуток времени (0,5— 0,6 сек.)

Такие приборы называют электронными тахоскопами, хотя вследствие краткости измерительного периода (меньше секунды) они также дают практически мгновенные значения угловой скорости. Значит, в каждом диапазоне тахометр измеряет разницу между истинным значением скорости и наибольшим значением шкалы предыдущего диапазона. К этой группе относятся импульсные приборы для измерения средней угловой скорости, которые по принципу измерения подобны механическим тахоскопам. Средняя угловая скорость измеряется путем счета импульсов, генерируемых датчиком за определенный отрезок времени. Они были созданы для счета импульсов, поступающих из счетчиков радиоактивного излучения, откуда и были заимствованы для целей измерения угловой скорости. Сличение производится при нескольких скоростях в пределах шкалы поверяемого тахометра. Для этой цели служат специальные установки, позволяющие осуществить в широких пределах плавное изменение угловой скорости вала, приводящего во вращение сличаемые тахометры.

Недостатками таких приборов можно считать относительную сложность исполнения.

• Электрические тахометры основаны на косвенном принципе измерения. К валу, скорость которого измеряется, присоединяется датчик в виде генератора, чаще всего постоянного тока. Напряжение генератора измеряется вольтметром, шкала которого градуируется в числах оборотов в минуту Достоинство электрических тахометров - достаточно высокая точность показаний и возможность дистанционного отсчета измеряемой величины одновременно в нескольких местах.

В электрических тахометрах измеряемая угловая скорость, преобразуется в постоянный, переменный или импульсный ток. В зависимости от рода тока и преобразователя, можно выделить электромашинные тахометры постоянного и переменного тока, электроимпульсные емкостные тахометры и счетно-импульсные тахометры.Тахометр с электрическим генератором представляет собой сочетание генератора постоянного или переменного (рис.5) и вторичного электроизмерительного прибора.

Принцип действия электрического генератора заключается в том, что при движении проводника в магнитном поле возникает электродвижущая сила. Величина электродвижущей силы пропорциональна магнитной индукции, длине проводника и скорости его движения.

У электрических тахометров постоянного тока характеристика линейная, а у тахометров переменного тока – нелинейная. Тем не менее, более широкое применение получили электромашинные тахометры переменного тока. Их основное преимущество перед тахометрами постоянного тока состоит в том, что генератор переменного тока не имеет коллектора, благодаря чему тахометр лучше сохраняет свою первоначальную точность в процессе длительной работы.

Т

Рисунок 5 Электрический тахометр с переменным генератором

ахометры с электрическими генераторами в отличие от центробежных и магнитных дают возможность дистанционной передачи показаний, так как вторичный прибор мотет быть удален на значительное расстояние от места измерения. В авиации находят широкое применение электрические тахометры типа ТЭ. Дистанционный электрический тахометр типа ТЭ представляет собой сочетание синхронной передачи и указателя, аналогичного магнитоиндукционному тахометру.

Д атчиком синхронной передачи служит трехфазный генератор (1) с ротором в виде постоянного магнита. При вращении ротора в обмотках статора возникает переменный ток, частота которого соответствует угловой скорости ротора. Датчик связан трехпроводной линией с приемником (2), в котором имеется синхронный электродвигатель. Для улучшения пусковых характеристик в роторе электродвигателя, кроме постоянных магнитов, установлены три стальных диска (3). Магниты посажены на ось ротора свободно и связаны с ней через пружину. Это обеспечивает быстрый переход вращения ротора электродвигателя из асинхронного в синхронный режим. На конце вала электродвигателя укреплен магнитный узел (4), содержащий шесть пар полюсов постоянных магнитов, между которыми расположен металлический диск (5) подвижной части указателя. В результате взаимодействия вращающегося магнитного узла с вихревыми токами в металлическом диске возникнет вращающий момент, пропорциональный измеряемой скорости. На одной оси с диском расположены: противодействующая спиральная пружина (6), индукционный успокоитель (7) и стрелка указателя прибора (8).

Рисунок 6 Магнитоиндукционный тахометр

Дистанционные магнитные тахометры обладают сравнительно высокой точностью (погрешность не более 0,2-0,5%) имеют равномерную шкалу, достаточно надежны в работе. Минусом данного метода можно считать сложность и дороговизну исполнения.